F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R K E R A M I S C H E T E C H N O L O G I E N U N D S Y S T E M E I K T S

G E S C H Ä F T S F E L D

UMWELT- UNDVERFAHRENSTECHNIK

UMWELT- UNDVERFAHRENSTECHNIKIm Geschäftsfe ld »Umwelt- und Verfahrenstechnik« bietet das Fraunhofer IKTS Werkstoffe, Technologien

und Systeme, die die Umwandlung von Stoffen und Energie s icher, eff iz ient, umwelt- und kl imaschonend

gesta l ten. Im Mitte lpunkt stehen dabei Prozesse im Bereich konvent ionel ler und Bioenergien, Strategien

und Verfahren zur Boden-, Wasser- und Luftre inhaltung sowie zur Rückgewinnung von werthalt igen Roh -

stoffen aus Reststoffen. Viele Ansätze z ie len dabei auf geschlossene Stoffkreis läufe.

Das Fraunhofer IKTS gehört zu den weltweit führenden For-

schungseinrichtungen auf dem Gebiet der Stofftrenntechnik

unter Verwendung keramischer Materialien. Werkstoff-,

Technologie- und Verfahrensexpertise greifen ineinander und

ermöglichen so komplexe verfahrenstechnische Systeme für

energieeffiziente Trennverfahren, chemische Umsetzung und

Wertstoffrückgewinnung. Keramische Membranen, Filter,

Adsorbenzien und Katalysatoren des Fraunhofer IKTS spielen

eine zentrale Rolle bei Prozessen der Gasaufbereitung und

Wasserbehandlung. Zudem werden keramische Membran-

verfahren mit innovativen Werkstoffen zu neuen Reaktor-

konzepten kombiniert, um Prozesse in der chemischen

Verfahrenstechnik effizienter zu gestalten.

Das Wissen um die Prozesstechnik zur Zerkleinerung, zum

Aufschluss und Mischen biogener Substrate stellt eine weitere

Kernkompetenz des Fraunhofer IKTS im Bereich der biochemi-

schen und thermochemischen Biomassekonversion dar. Damit

lassen sich landwirtschaftliche Reststoffe zu festen, flüssigen

und gasförmigen Energieträgern effektiv umwandeln. Zudem

können Nährstoffe aus Gülle, Mist und Gärprodukten abge-

trennt und zu transport- und lagerfähigen Düngerprodukten

mit definierten Eigenschaften verarbeitet werden.

In zahlreichen Labor- und Pilotanlagen werden fluidische,

elektrochemische und thermomechanische Kenngrößen

für die Stofftransportvorgänge und Reaktionen modelliert,

validiert und optimiert. Mit zahlreichen Laboren, Technika

und den Applikationszentren für Membrantechnologie und

Bioenergie verfügt das Geschäftsfeld über eine ausgezeichnete

Infrastruktur, um Projekte verschiedenster Umfänge und

Skalen realisieren zu können. Die Ergebnisse fließen direkt in

Demonstrationsanlagen ein, die beim Kunden errichtet und

durch das Fraunhofer IKTS betreut werden können.

1

Boden

Luft

Wasser

GeschlosseneKreisläufefür die

Landwirtschaft

ChemischeVerfahrens-

technik

Wertstoffrück-gewinnung

Abwasser-behandlung und Wasser-aufbereitung

Biotech-nologischeProzesse

Abgasnach-behandlung und Gasauf-

bereitung

CO2-Reduktion

Alternative Kraftstoffe

M

aterialentwicklung

Verfahrenstechnik

Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung

Die Wasserreinhaltung insbesondere durch Abwasserreinigung

ist ein zentrales Anliegen des Umweltschutzes. Hierbei

konzentriert sich das Fraunhofer IKTS auf chemie- und

biologiefreie Verfahren sowie integrierte Reaktorsysteme für

die Behandlung von Ab- und Prozesswässern. Mit Hilfe von

keramischen Membranen oder elektrochemischen und photo-

katalytischen Oxidationsverfahren lassen sich so Trinkwasser,

kommunale und industrielle Prozesswässer, Bergbauwässer

oder Geothermie-Tiefenwässer aufbereiten.

Abgasnachbehandlung und Gasaufbereitung

Viele technische Prozesse erzeugen Gasgemische, die

gesundheits- und umweltschädliche Feinstaubpartikel und

gasförmige Schadkomponenten enthalten. Für die Heißgas-

entstaubung und Partikelfiltration bietet das Fraunhofer IKTS

offenporige, zellulare keramische Formkörper und Membranen

an. Nanoporöse Membranen erlauben beispielsweise die

Abtrennung von Einzelkomponenten aus Gasgemischen. Einen

weiteren Schwerpunkt bilden keramische Katalysatorträger

und Katalysatoren für die Abgasreinigung. Als Alternative zu

Edelmetallen weisen keramische Katalysatoren eine höhere

thermische Stabilität auf. Außerdem tolerieren sie übliche, für

Edelmetalle kritische Katalysatorgifte, wesentlich besser.

CO2-Reduktion

Verschiedene Strategien zur Vermeidung (CDA) sowie Nutzung

und Speicherung (CCU) von CO2 bieten ein beachtliches Po-

tenzial, um die festgelegten Klimaziele zu erreichen. Keramik-

basierte Technologien zur Elektrolyse, CO2-Abtrennung und

Synthese höherwertiger Produkte (Fischer-Tropsch) können

hierbei einen entscheidenden Beitrag leisten. Insbesondere

in CO2-intensiven Industriezweigen wie der Stahlindustrie

kann eine deutliche Reduzierung der Emissionen um bis zu

95 % erreicht werden, indem zur Reduktion von Eisenoxid

Wasserstoff eingesetzt wird, der durch einen hocheffizienten

Festoxidelektrolyseprozess erzeugt wird. Ein weiterer Ansatz

zur Senkung von CO2-Emissionen besteht in der Optimierung

von industriellen Verbrennungs- und Oxidationsprozessen. Hier

kann durch die Zuführung von Sauerstoff der Verbrauch an

fossilen Energieträgern und somit der CO2-Ausstoß reduziert

werden. Um Sauerstoff kostengünstig zu gewinnen, entwi-

ckelt das Fraunhofer IKTS sauerstoffselektive Membranen und

Sauerstoffgeneratoren.

Chemische Verfahrenstechnik

Stofftrennungen mit langlebigen keramischen Membranen

sind energieeffizient und damit oft wirtschaftlicher als

thermische Trenntechniken, Extraktions- und Adsorptions-

verfahren, die in der chemischen Verfahrenstechnik häufig

eingesetzt werden. Mit Membranen reduziert sich der Einsatz

von Chemikalien zur Regenerierung von Adsorbenzien oder

Extraktionsmitteln. In der Reaktionstechnik lassen sich mit ke-

ramischen Membranen Edukte gezielt dosieren und Produkte

entfernen. Hier befasst sich das Fraunhofer IKTS mit katalytisch

aktiven Membranen und kombiniert diese mit Katalysatoren

im Membranreaktor bzw. Membrankontaktor.

Alternative Kraftstoffe

Flüssige Kraftstoffe werden aufgrund ihrer hohen Energie-

dichte und einfachen Speicherung kurz- und mittelfristig

ihre Bedeutung für die Mobilität behalten. Das Fraunhofer

IKTS zeigt Wege auf, Erdöl als Basis der Kraftstoffherstellung

abzulösen und alternative kohlenstoffhaltige Rohstoffe und

Verbindungen zu nutzen. Dazu gehören Katalysatorsysteme

sowie verfahrenstechnische Prozesse und Anlagen für die

Kraft- und Wertstoffherstellung mit Hilfe von chemischen Syn-

2

ANWENDUNGSBEREICHE

3

1 Photokatalytische Abwasser-

behandlung.

2 Offenzellige Schaumkerami-

ken zur Abwasserbehandlung

und Abgasreinigung.

3 Keramikgeträgerte Kataly-

satoren zur industriellen Abgas-

reinigung.

4 Keramische Membranen in

verschiedenen Rohrgeometrien.

5 Simulation des Stoff- und

Wärmetransports in einem

Membranmodul.

4 5

thesen wie beispielsweise der Fischer-Tropsch-Synthese und

unter Einbeziehung von Wasserstofftechnologien. Mit einer

leistungsfähigen Modellierung und Simulation werden neue

reaktionstechnische Konzepte entworfen und angeboten.

Wertstoffrückgewinnung

Die Wertstoffrückgewinnung aus Abwässern und flüssigen

Prozessmedien und deren Bereitstellung für den Wirtschafts-

kreislauf tragen maßgeblich zum effizienten Umgang mit Res-

sourcen bei. Das Fraunhofer IKTS bildet die gesamte nassche-

mische Prozesskette vm Aufschluss aus Feststoffen über die

Anreicherung durch membrangestützte Extraktionsverfahren

bis hin zum Zielprodukt ab. Dabei kommen bevorzugt elek-

trochemische Prozesse aber auch Verfahrenskombinationen

zum Einsatz. Umfangreiche Erfahrungen bestehen in der

Gewinnung von Selten-Erd-Konzentraten aus sekundären

Rohstoffquellen, in der Reindarstellung verschiedener Selten-

Erd-Verbindungen sowie in der Gewinnung von Sonder- und

Edelmetallen aus Schrotten oder Haldenmaterial. Eine nicht

konventionelle Ressource stellen thermale Tiefenwässer dar,

aus denen sich standortabhängig viele wichtige Rohstoffe

extrahieren lassen.

Biotechnologische Prozesse

Das Fraunhofer IKTS liefert eine breite Palette an verfahrens-

technischen Lösungen für Bioenergietechnologien wie Des-

integrations-, Misch- und Rührprozesse, um unter anderem

auch lignocellulosehaltige Substrate für die Biogaserzeugung

einsetzen zu können. Die Aufbereitung von Biogas wird

mittels adsorptiven und Membranverfahren für die Methan-

anreicherung, Biogastrocknung, Nährstoffrückgewinnung und

Prozesswasseraufbereitung optimiert. Bei der Herstellung von

Bioethanol setzt das IKTS bei der Verzuckerung, Entwässerung

oder Substrataufbereitung auf organophile Pervaporations-

und Ultrafiltrationsmembranen. Viele dieser äußerst effizi-

enten Verfahren können auch auf andere biotechnologische

Gewinnungs- und Aufbereitungsprozesse übertragen werden.

Landwirtschaft

Aspekte wie Ressourceneffizienz, Effektivität von Antibiotika,

Nachhaltigkeit der Bodeneigenschaften oder Grundwasser-

qualität gewinnen heute in der Landwirtschaft an Bedeutung.

Die Basis für eine nachhaltige Art des Wirtschaftens liegt

in der Behandlung und Nutzung von biomasse- und

nährstoffhaltigen Reststoffen, die in der Landwirtschaft als

Koppelprodukte entstehen. Diese werden so aufbereitet,

dass sie als Dünger, Wasser und Energie wieder in den

Produktionskreislauf eingeführt werden können. Dabei

werden Stoffkreisläufe nicht isoliert betrachtet, sondern

die komplexen Zusammenhänge werden mit Hilfe von

Sensorsystemen automatisiert erfasst und analysiert, um

die Produktivität durch optimierte Abläufe zu steigern und

gleichzeitig Nachhaltigkeit zu erreichen. Das Fraunhofer IKTS

bietet hierfür keramische Membranen, Filter, Adsorbenzien,

Katalysatoren, Sensoren und Energiespeicher an.

6

6 Anlage zur dezentralen

Erzeugung von Sauerstoff

(10 Nm3 O2/h).

KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR

Keramische Membranen

- Poröse Träger in Rohr- und Scheibengeometrie- Membranen von makroporös bis nanoporös- Dichte, leitfähige und gemischtleitfähige

Membranen

Membranverfahrenstechnik und Partikelfiltration

- Membran- und Filterprüfung- Entwicklung und Prototypenbau von Anlagen- Verfahrensauslegung und Pilotierung

Infrastruktur

Teststände zum Prüfen von Membranen, Filtern, Adsorbenzien und Katalysatoren (auch mobile für Versuche beim Kunden)

ATEX-konforme Membrananlagen für Lösemittelfiltration und -dampfpermeation

Zentrum für Smarte Landwirtschaft und Wassermanagement

Mobiler Teststand für Expositionstests und elektrochemi-sche In-situ-Untersuchungen in der Tiefen Geothermie

Applikationszentrum Membrantechnik

Applikationszentrum Bioenergie

Prozesstechnik für biogene Substrate

- Verfahrensentwicklung und -auslegung zur Biomassebehandlung

- Prozesse zur Erzeugung fester, flüssiger und gasförmiger Energieträger

- Engineering von Biogasanlagen

Chemische Verfahrenstechnik

- Modellierung, Validierung und Optimierung von Stofftransport und Reaktion

- Entwicklung und Optimierung katalytischer Prozesse

- Automatisierung von verfahrenstechnischen Systemen

Elektrochemische Verfahrenstechnik

- Prozessentwicklung für Schadstoffabtrennung und Wertstoffrückgewinnung

- Entwicklung und Fertigung spezifischer Elektrolysezellen und Versuchsausrüstungen

- Aufbau und Betrieb von Versuchsanlagen bis zum technischen Pilotmaßstab

Poröse und zelluläre Keramiken

- Kornkeramiken und Extrudate mit engen Porengrößenverteilungen

- Offenzellige Schaumkeramiken mit hohen Porenvolumina > 90 %

Adsorbenzien und Speichermaterialien

- Schicht- und Gerüstsilikate auf Basis natürlicher Rohstoffe- Synthese von Zeolithen und Mischoxiden

Katalysatoren und Katalysatorträger

- Katalysatorentwicklung, -screening, -herstellung und -charakterisierung- In Form von extrudierten Wabenkörpern, Schaum-

keramiken, Membranen, Schüttungen

Elektroden

- Test von Elektrodenwerkstoffen- Entwicklung funktioneller Schichten zum Korrosionsschutz

KURZPORTRÄT DESFRAUNHOFER IKTSDas Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt anwen-

dungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Die drei Institutsteile in Dresden

und Hermsdorf (Thüringen) formen gemeinsam das größte Keramikforschungsinstitut

Europas.

Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS moderne

keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungsverfahren sowie pro-

totypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungslinien bis in den Pilotmaßstab.

Darüber hinaus umfasst das Forschungsportfolio die Kompetenzen Werkstoffdiagnose

und -prüfung. Die Prüfverfahren aus den Bereichen Akustik, Elektromagnetik, Optik und

Mikroskopie tragen maßgeblich zur Qualitätssicherung von Produkten und Anlagen bei.

Das Fraunhofer IKTS arbeitet in neun marktorientierten Geschäftsfeldern, um keramische

Technologien und Komponenten sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren für neue Branchen,

Produktideen und Märkte jenseits der klassischen Einsatzgebiete zu demonstrieren und zu

qualifizieren. Dazu gehören keramische Werkstoffe und Verfahren, Maschinenbau und

Fahrzeugtechnik, Elektronik und Mikrosysteme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik,

Bio- und Medizintechnik, Zerstörungsfreie Prüfung und Überwachung, Wasser sowie die

Material- und Prozessanalyse.

KONTAKTGeschäftsfeld

Umwelt- und

Verfahrenstechnik

Prof. Dr. Ingolf Voigt

Fraunhofer-Institut für

Keramische Technologien

und Systeme IKTS

Michael-Faraday-Straße 1,

07629 Hermsdorf

Tel. +49 36601 9301-2618

ingolf.voigt@

ikts.fraunhofer.de

www.ikts.fraunhofer.de

TITELBILD Technikum zur

Erprobung von keramischen

Membranen für die Reinigung

und Aufbereitung von Wasser,

Lösemitteln und Gasgemischen.